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Verfahren zur Verhütung von inneren Rissen beim Kühlen von Eisenbahn-und
Straßenbahnschienen ' Eisenbahn- oder Straßenbahnschienen wei-:Zetl häufig innere
Risse in der Längs- oder Querrichtung auf. Diese Risse bilden sich im Betriebe durch
Ermüdung aus und führen schließlich zu einem völligen plötzlichen Bruch der Schienen,
ohne daß sich dies vorher ankündigt. 'Von einer finit derartigen Rissen behafteten
Schiene sagt man auch, daß sie eine Bruchzone besitzt.
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Es erscheint zur Erleichterung des -Verständnisses der einschlägigen
Fragen zweckmäßig, an Hand der in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Diagramme
darzulegen, wie sich die Festigkeitseigenschaften eines Schienenstahles beim Abkühlen
von der Walz- auf die Raumtemperatur verhalten.
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Abb. i zeigt ein Diagramm, dessen Kurven die Zerreißfestigkeit wid
die Dehnung von zwei Stählen finit o,9i und o,55 °'o Kohlenstoff veranschaulichen.
Dieses Diaramm wurde durch D 11 1) 1t y ermittelt 'und in \Tr. 2 :> Tourtial
of tlie fron and Steel Institute«, 1921, ver-Ültelltlicht.
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I)ie Zerreißfestigkeitskurven A und P für Stühle mit o,gi und
0,55 °'" Kohlenstoff-ellalt lassen erkennen, daß die Festigkeit bis zu einer
Temperatur von etwa Sao bis ,;5o' C: zu steigen sucht und dangt sehr schnell fällt.
Die Kurven C und D für Stähle mit o,9 r und o,55 % Kohlenstoff zeigen, claß die
Dehnun- nach einem leichten Abfall bei etwa 25o° schnell ansteigt bis 430°, bei
etwa 55o bis SSo° C fällt und sodann wieder steigt.
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Der umgekehrte Verlauf tritt ein, wenn die Stähle von einer holten
Temperatur abgekühlt werden.
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Abb. 2 zeigt einige Ergebnisse, die durch Untersuchungen ermittelt
wurden, welche zu der vorliegenden Erfindung führten. Die Werte wurden erhalten
durch langsames Bieren von gekerbten Stählen in der Humfrev-Kerb-Biege-'Iaschine,
und zwar bei Stahlen, die nur o,S2 und 0,71 °7o i\-Iangan enthalten. Die Kurven
E veranschaulichen das maximale Biegemoment, welches die Proben aushielten, während
F den Bie(Tewinkel vor Eintritt des Bruches angibt. Die Kurven sind erinittelt aus
einer Reihe von Versuchen, welche bei verschiedenen Temperaturen bis zu 6oo° angestellt
wurden. Das maximale Biegenioinelit ilntllllt ab bis zti einer Temperatur von
1,30' C. steigt dann schnell auf einen Höchstwert bei etwa 38o' und fällt
dann sehr schnell bi: zu der bei den Versuchen erreichten Höchsttemperatur. Der
Biegewinkel ergibt eine ähnliche Kurve, jedoch steigen seilte
Werte
nach einem schnellen Abfall bei 4.oo bis 5oo' C mit zunehmender Temperatur wieder
alt.
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Der Temperaturbereich von Norinaltemperatur auf 32o bis 350' C:, nämlich
derjenige Telttperaturbereich, in welchem die Festigkeit der Schiene mit steigender
Temperatur allwächst, wird als Blauhitzezone bezeichnet.
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Es ist nun bekannt. daß es beim Kühlen von Schienen wichtig ist, daß
die dünneren und dickeren Schienenteile dieselbe Temperatur haben, wenn die Schiene
so weit gekühlt ist, daß ihre Temperatur die Blauhitzezone zu durchwandern beginnt.
(la sonst Beanspruchungen auftreten. welche zu erheblichen Spannungen oder sogar
Brüchen führen. Zur Vermeidung dieser llißstände war vorgeschlagen, die Schiene
auf eine zwischen dem kritischen Temperaturbereich und dem Blaullitzebereich liegende
Temperatur zu kühlen und- dann die Schienentemperatur auszugleichen, bevor die Schiene
endgültig gekühlt wird. Beispielsweise war bekannt, die Schiene durch Benetzen mit
Wasser bis auf etwa 385' C zu kühlen. sodann eine Stunde lang in einen auf 4.8o'
C gehaltenen Ofen zu bringen und hierauf aus dem Ofen zu entfernen und in der Luft
abkühlen zu lassen.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß nicht beint Durchwandern
der Schienentemperatur durch die Blauhitzezone eine Gefahr der Erzeugung von inneren
Rissen besteht, sondern -wenn die Schienentemperatur den Bereich zwischen 500° und
300° C, d. h. tliejeuige Zone durchläuft, in welcher die Festigkeit beim Abkühlen
des Stahles steigt.
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Die 13rfinder haben weiter ermittelt, daß es zwar richtig ist, die
Kühlung der Schiene zu unterbrechen und die Schienentemperatur. auszugleichen, bevor
eine weitere Kühlung zugelassen wird, daß diese Maßnahmen jedoch zur Vermeidung
von Rissen nicht genügen, wenn nicht die Kühlung der egalisierten Schiene langsam
durchgeführt -wird, bis die Temperatur unter 300' gesunken ist. Bei den Versuchen
der Erfinder hat sich gezeigt, daß Hisse, welche -währen(' des Kühlens einer Schiene
entstanden sind, nicht dadurch beseitigt werdeu können, daß die Schiene geglüht
(wiedererhitzt) und sodann nochmals gekühlt wird, wie es hei dein obenerwähnten
bekannten Verfahren der Fall ist.
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Das bekannte Verfahren und insbesondere die (>hell angegebene Ausführungsform
dieses Verfahrens kann, -wie ilie li-rfincler durch ihre: l'ntersuchtingeti festgestellt
halten, das Problem der Bese@tigulig der Risse in Stahlschicnen nicht lösen, (la
es in drei IIinsicliteit finit Fehlern behaftet ist, nämlich t. indem die Schiene
auf eine zu nie(lrige '1'ritil)et-zittir abgeschreckt wird, =. . ill(lettt (lie
Schiene geglüht (wiedererhitzt) wird und 3. indem sich die egalisierte Schiene in
der Luft abkühlt.
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Die 1#'rlindung bestellt nun darin. daß Vorsorge getrotFen wird, daß
(las innere und (las äullere Metall, insbesondere der "rol.ien 11:(sc des Schienenkopfes,
durch den Bereich zwischen 5oo bis 300' C mit möglichst geringen Temperaturunterschieden
durchlaufen. Dies wird erreicht, indem die Temperatur des ganzen Querschnittes,
insbesondere der inneren und der äußeren Teile des Kopfes, soweit wie möglich ausgeglichen
wird, bevor die Temperatur des äußeren Kopfes ;oo' C erreicht hat, und daß die Schiene
sodann gleichmäßig und langsam abgekühlt wird. bis alle inneren und äußeren Teile
des OOuerschnittes diesen Bereich durchwandert haben. Unterhalb dieses Temperaturbereiches,
wo der Stahl keinen plötzlichen Festigkeitsändertmgen ausgesetzt ist, kann ohne
Gefahr normal oder auch beschleunigt abgekühlt -werden.
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Der hier verwendete Ausdruck Ouerschnitt bezieht sich mehr auf den
Querschnitt der Masse, insbesondere der -Masse des Kopfes der Schiene, als auf den
Schienenquerschuitt, eilt Ausdruck, der gewöhnlich mit Bezug auf die Form oder das
Profil des (Dilerschnittes der 'lasse gebraucht -wird.
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Die Erfindung ist anwendbar bei Schienen, die in der üblichen Weise
auf dem Warmbett 5ekühlt werden, oder auf Schienen, bei denen im kritischen Bereich
eine nach einem der bekannten Verfahren beschleunigte Kühlung zwecks Erzielung einer
gewünschten Mikrostruktur angewendet wird, welche durch die vorliegende Erfindung
nicht wesentlich beeinflul3t -wird.
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Die gewünschte gleichmäßige Kühlung, insbesondere über die grobe Masse
des Kopfes. kann dadurch erreicht -werden, daß die Schienen, wenn sich alle Teile
unterhalb des kritischen Teniperaturhereiches befinden und -wenn sich die Temperatur
des äußeren Teiles, insbesondere des Kopfes, der oberen T eniperaturgrenze des Bereiches
von 5oo bis 300' C nsiliert, gestapelt oder abgedeckt werden und in geei"lieter
Weise gegen Zug geschützt -werden oder indem sie unter Hauben oder in lialtlltlerit,
welclic illit "liegelll <ttis"clegt ulld külistlich geheizt werden können, eilTeschlossen
«erden. Welches Verfahren auch immer aligeweutkt wir(-, die zu lösende Auf-,
tthe ist dabei, äußere \\'iiritieverltistc dei schivtie zu. verhüteil oder diese
ztt vertltillderit, so daß sich die innere Wärute gleichmäl,lig über den ( )uerschnitt
verteilen kann. Die sodann folgende Kiihlulig -während des oben angegebenen Bereiches
-wird durch die @(nl;egelrenrn Mittel verzögert, so (Maß mögliehst
geringe
Temperaturunterschiede zwischen den inneren und äußeren Teilen des Querschnittes,
insbesondere des Kopfes, auftreten.
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Da eine derartige Verlangsamung der Kiihlunn zur Folge hat, daß die
Schienen länger auf dem Warmbett verbleiben, als es nornialerweise der Fall ist,
und da die vergrößerte Zeitspanne unerwünscht ist, kann man die Abkühlung der Schienen
oberhalb und unterhalb des Bereiches von Söo bis 3oo° C beschleunigen; beispielsweise
können. die Schienen sofort nach ihrer Ankunft auf dem Warmbett einer beschleunigten
Kühlung unterworfen werden, bis sie die gewüiischte -Mikrostruktur erlangt haben,
nämlich bis ihre Temperatur etwa 6oo° C betragt. Hierfür können bekannte -Verfahren
verwendet werden. Sodann wird die vorliczende Erfindung angewendet. Xachdem die
Schienen den Bereich von @oo bis 300° C, auf -welchen sich die Erfindung bezieht,
durchlaufen und noch eine Höchsttemperatur von 300° C haben, kann die Kühlung wieder
durch künstliche -Mittel beschleunigt -werden.
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Eine einfache Art der Anwendung der Erfindung besteht darin, daß eine
aus einem schlechten Wärmeleiter bestehende Abdeckung über einen Teil des Warmbettes
vorgesehen -wird. '\1"enn sich die Schienen in der übliehen @@'eise auf dem freien
Teil des-Warmbettes abgekühlt haben oder auch wenn sie durch den kritischen Bereich
künstlich gekühlt worden sind, wird die Abdeckung entweder über die Schienen gebracht
oder die Schienen werden unter den abgedeckten Teil des Warmbettes geführt, so daß
sich die Schienen unter der Abdeckung entweder völlig oder auf jeden Fall durch
den Bereich zwischen 5oo und- 3oo° C abkühlen.